(57)【要約】【課題】      フラッディングを抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質１及び該電解質１の両側に設けられる触媒層２、３を備える電解質・触媒構造体５と、電解質・触媒構造体５の両側に設けられる拡散層６、７と、拡散層６、７の外側に設けられるセパレータ８、９と、を備えるユニットセル１０を積層した積層体を備える燃料電池１００であって、少なくとも積層体の端部に配置されるユニットセル１０Ａ、１０Ａにおける電解質・触媒構造体５の水分保持量が、積層体の中央部に配置されるユニットセル１０Ｂ、１０Ｂ、…における電解質・触媒構造体５の水分保持量よりも多い燃料電池１００とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、前記電解質・触媒構造体の両側に設けられる拡散層と、前記拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備えるユニットセルを積層した積層体を備える燃料電池であって、
少なくとも前記積層体の端部に配置されるユニットセルにおける前記電解質・触媒構造体の水分保持量が、前記積層体の中央部に配置されるユニットセルにおける前記電解質・触媒構造体の水分保持量よりも多いことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記端部に配置されるユニットセルにおける前記電解質の水分保持量が、前記中央部に配置されるユニットセルにおける前記電解質の水分保持量よりも多いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記端部に配置されるユニットセルにおける前記電解質のＥＷが、前記中央部に配置されるユニットセルにおける前記電解質のＥＷよりも小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記端部に配置されるユニットセルにおける前記触媒層の水分保持量が、前記中央部に配置されるユニットセルにおける前記触媒層の水分保持量よりも多いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記端部に配置される前記ユニットセルにおける前記触媒層が、水分保持材を含有することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、フラッディングを抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であり、通常５０〜１００℃の運転温度で使用される。また、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、触媒層と拡散層とを備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層して積層体を構成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、セパレータに形成された溝を通して燃料極へと届けられた水素は、触媒の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極（アノード）側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                    （式１）
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して空気極へと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通って空気極へと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、空気極へと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極（カソード）側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    (式２)
【０００５】
電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生すること、すなわち、良好な始動性を有することが要求される。しかし、例えば氷点下の寒冷環境では、カソード内における滞留水の凍結等が生じる結果、良好な始動性が得られ難い。かかる滞留水の凍結は、特に、外気により冷却されやすいスタックの端部に配置されたユニットセル（以下において、「端部セル」と記述することがある。）内で発生しやすいことが知られている。一方、カソード内における滞留水は、フラッディングを招き、燃料電池の発電性能を低下させることが知られている。したがって、当該端部セル内における滞留水を低減させることで、フラッディングを抑制するとともに、寒冷環境下における始動性（以下において、「低温始動性」と記述する。）を向上させることが望まれている。
【０００６】
特許文献１には、端部セルのカソードにおける拡散層の撥水性を、スタックの端部以外に配置されるセルのカソードにおける拡散層の撥水性よりも低くする技術が開示されている。また、特許文献２には、スタックの端部に断熱材を配置させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５７８６９号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されている技術により、端部セル内における拡散層の撥水性を低下させたとしても、触媒層から拡散層へと水が移動する間に、当該水が凍結してしまうため、低温始動性の充分な向上を図り難いという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術では、フラッディングを抑制し難いという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、フラッディングを抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質及び該電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、電解質・触媒構造体の両側に設けられる拡散層と、拡散層の外側に設けられるセパレータと、を備えるユニットセルを積層した積層体を備える燃料電池であって、少なくとも積層体の端部に配置されるユニットセルにおける電解質・触媒構造体の水分保持量が、積層体の中央部に配置されるユニットセルにおける電解質・触媒構造体の水分保持量よりも多いことを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、端部に配置されるユニットセルにおける電解質の水分保持量が、中央部に配置されるユニットセルにおける電解質の水分保持量よりも多いことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、端部に配置されるユニットセルにおける電解質のＥＷが、中央部に配置されるユニットセルにおける電解質のＥＷよりも小さいことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、端部に配置されるユニットセルにおける触媒層の水分保持量が、中央部に配置されるユニットセルにおける触媒層の水分保持量よりも多いことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池において、端部に配置されるユニットセルにおける触媒層が、水分保持材を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、端部セル内における電解質・触媒構造体の水分保持量が多いため、端部セル内の電解質・触媒構造体が多くの水を保持することができる。したがって、端部セル内の滞留水を低減することが可能になり、かつ、低温始動時に端部セル内における水の凍結を抑制することが可能になるため、フラッディングを抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００１５】
請求項２又は３に記載の発明によれば、端部セルにおける触媒層の反応場で生成された水を電解質で保持することができる。したがって、触媒層の触媒近傍における水の量が低減し、触媒が電気化学反応に寄与しやすくなる結果、燃料電池の低温始動性をより一層向上させることが可能になる。
なお、ＥＷとは、スルホン酸基１モル当たりの乾燥膜重量のことである。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、端部セルにおける触媒層の反応場で生成された水を当該触媒層で確実に保持することができるため、フラッディングを抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、端部セルにおける触媒層の反応場で生成された水を、当該触媒層に含有されている水分保持材により確実に保持することができる。したがって、触媒層の触媒近傍における水の量が低減し、触媒が電気化学反応に寄与しやすくなるため、燃料電池の低温始動性をより一層向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池を構成するユニットセル、及び各実施形態の燃料電池についてさらに具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の燃料電池の外観図であり、図２は、本発明の燃料電池を構成するユニットセルを概略的に示す断面図である。
図１に示すように、本発明の燃料電池１００は、ユニットセル１０、１０、…が積層された積層体と、当該積層体の両側に配置された集電板２０、２０及び電気絶縁板３０、３０とを備えている。一方で、図２に示すように、ユニットセル１０は、電解質１と当該電解質１の両側に設けられる触媒層２、３とを備える電解質・触媒構造体５、該構造体５の両側に設けられる拡散層６、７、及び、当該拡散層６、７の外側に設けられるセパレータ８、９を備えている。そして、セパレータ８及び９には、反応ガス流路８ａ、８ａ、…、及び、９ａ、９ａ、…、並びに、冷却水流路８ｂ、８ｂ、…、及び、９ｂ、９ｂ、…が形成されており、セパレータ８及び９は、冷却水流路８ｂ、８ｂ、…、及び、９ｂ、９ｂ、…を流れる冷却水により冷却されている。
【００２０】
ユニットセルの積層体を備える燃料電池１００では、通常、積層体の端部に配置されているセル１０Ａ、１０Ａは、中央部に配置されているセル１０Ｂ、１０Ｂ、…よりも放熱しやすい。したがって、端部セル１０Ａ、１０Ａでは、電気化学反応で生成された水が冷やされて水滴になりやすく、当該水滴がセル１０Ａ、１０Ａ内に滞留することで生じるフラッディングが起こりやすい。そのため、特に、端部セル１０Ａ、１０Ａでは、滞留水を低減することでフラッディングを防止することが望まれている。一方、氷点下の寒冷環境では、端部セル１０Ａ、１０Ａにおいて、セル内部に存在する水及び／又はセル内の電気化学反応により生成された水が凍結しやすい。セル内部において水が凍結すると、当該セルの発電性能（起動性）が著しく低下することが知られており、特に寒冷環境では、端部セルの起動性低下が問題となる。したがって、燃料電池の起動性を向上させるためには、セル内部に存在する水及び／又はセル内の電気化学反応により生成される水の凍結を防ぐことが必要となる。本発明は、このような観点からなされたものであり、本発明の燃料電池１００では、少なくとも端部セル１０Ａ、１０Ａにおける電解質・触媒構造体５の水分保持量が、中央部セル１０Ｂ、１０Ｂ、…における当該構造体５の水分保持量よりも多くなるように構成されている。このような構成とすることで、セル内部の水を、電解質・触媒構造体５が吸収できるため、セル内部におけるフラッディングの発生及び低温始動時における水の凍結を防ぐことができる。
【００２１】
端部セル１０Ａ、１０Ａにおける電解質・触媒構造体５の水分保持量を多くする方法は、電解質１（以下において、「電解質層」と記述することがある。）及び／又は触媒層２、３の水分保持量を増加させることができる形態であれば、特に限定されるものではない。
【００２２】
電解質層１の水分保持量を増加させることにより、上記構造体５の水分保持量を多くする場合、当該電解質層１の含水量は、燃料電池１００の低温起動性を向上させるとともに燃料電池１００を構成する積層体の著しい体積変化を防ぐという観点から、２〜２０ｍｇ／ｃｍ２とすることが好ましい。一方、電解質層１の水分保持量を多くする方法の具体例としては、水分保持量の多い物質により電解質層１を形成させる形態や、電解質層１の厚さを増すことにより水分保持量を増加させる形態等を挙げることができる。ここで、電解質層１を水分保持量の多い物質により形成させる場合の具体例としては、ＥＷ値が低い物質により電解質層１を形成させる形態等を挙げることができる。他方、電解質層１の厚さを増す場合の具体例としては、電解質層１を従来よりも厚みの厚い層により構成させる形態や、電解質層１を複数の層により構成させることで電解質層１の厚さを増す形態等を挙げることができる。
【００２３】
これに対し、触媒層２、３の水分保持量を増加させることにより、上記構造体５の水分保持量を多くする場合、水分保持量を多くさせる方法は特に限定されるものではないが、例えば、触媒層２、３に吸水性を有する水分保持材を含有させる形態等を挙げることができる。ここで、水分保持材を含有させることにより触媒層２、３の水分保持量を増加させる場合、触媒層２、３に含有させることができる水分保持材は特に限定されるものではなく、高分子ポリマー等に代表される吸水性樹脂、シリカゲル、ゼオライト、活性炭等を好適に使用することができる。また、水分保持材を含有させる方法も特に限定されるものではなく、例えば、触媒層の製造過程において、上記水分保持材を触媒層に分散混入させる等の方法を採ることができる。さらに、含有させる水分保持材の量は、特に限定されるものではないが、有意な水分保持能を発現させるとともに燃料電池の発電効率の低下を防止するという観点から、触媒層２、３に含まれる触媒の質量に対して１〜５０％とすることが好ましい。
【００２４】
また、触媒層２、３の水分保持量を増加させる場合、当該触媒層２、３は、カソード側とアノード側とを問わずいずれか一方の触媒層２若しくは３、又は、双方の触媒層２及び３であっても良いが、ユニットセル内部の電気化学反応によって生ずる水は、カソード側の触媒層で生成されるため、少なくともカソード側の触媒層３の水分保持量を増加させることが好ましい。
なお、電解質１及び触媒層２、３の水分保持量を増加させることにより、上記構造体５の水分保持量を多くする場合には、上述の電解質１の水分保持量増加法と触媒層２、３の水分保持量増加法とを適宜組み合わせて、構造体５の水分保持量を多くすればよい。
【００２５】
本発明の燃料電池１００において、水分保持量が多い電解質・触媒構造体５を備えるセルは、少なくとも端部セル１０Ａ、１０Ａが含まれていればよく、端部セル１０Ａ、１０Ａのみが当該構造体５を備えるセルである形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池１００内に設けられる、水分保持量を増加させた上記構造体５を備えるセルの数は、水分を吸収した構造体５の体積が増す結果、積層体の体積も増加する点、及び燃料電池の性能を考慮したうえで、適当な数を選択することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池１００における、水分保持量が多い構造体５を備えるセルの配置形態の具体例としては、端部セル１０Ａ、１０Ａのみが当該構造体５を備える形態や、積層体の両端部に配置されている任意の数のセルが上記構造体５を備える形態（例えば、積層体における両端の数セルずつが、当該構造体５を備えるセルである形態）等を挙げることができる。また、本発明の燃料電池１００は、端部セル１０Ａ、１０Ａにおける構造体５の水分保持量が最大であり、かつ、中央部セル１０Ｂにおける構造体５の水分保持量が最小となるように、構造体５の水分保持量が、両端部から中央部に向かって徐々に変化するように構成されている形態であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す図である。
【図２】本発明の燃料電池におけるユニットセルを概略的に拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  電解質
２、３  触媒層
５  電解質・触媒構造体
６、７  拡散層
８、９  セパレータ
１０、１０Ａ、１０Ｂ  ユニットセル
２０  集電板
３０  電気絶縁板
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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